行人安全测试现行腿型冲击器的生物逼真度

龙永程，郝海舟，李 凡，费 敬

（1. 汽车振动噪声和安全技术国家重点实验室，重庆401122，中国；2. 中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆401122，中国；3. 湖南大学，长沙410082，中国）

根据2018年公安部道路交通事故统计年报，行人在全年所有事故中的死亡人数占比达到高达27%[1]。在汽车碰撞事故中，相比车内乘员，行人没有任何保护装置，因而是更易受伤害的道路交通使用者。目前，针对汽车碰撞事故中的行人保护问题，许多国家相继出台了行人安全法规，要求汽车厂商设计行人友好的汽车前端结构。

全球主流的行人碰撞测评规程（被动安全）均采用子系统冲击器（头型与腿型）来模拟行人主要部位的损伤情况。在腿型冲击器方面，2003年欧洲汽车安全委员会（European Experimental Vehicles Committee, EEVC）率先推出刚性腿型并在欧盟EC法规中实施[2]；2014年欧洲新车评价规程（European New Car Assessment Programme，Euro NCAP）中引入了柔性腿型冲击器（flex legform impactor, Flex-PLI），2015年欧洲经济委员会（Economic Commission for Europe），ECE R127法规中也采用了柔性腿型；但是由于柔性腿型缺乏人体上身质量导致其大腿弯矩与人体存在差异，2015年欧洲新车评价规程（Euro NCAP）在8.0版本中提出了用刚性腿(transport research laboratory，TRL)进行大腿测试的新方法。Takahiro等人[4-8]在柔性腿的基础上对质量分布、长骨形状、韧带布置、髋关节、踝关节、股骨弯曲刚度等6个方面进行了改进，研发了新一代先进腿型冲击器（advanced pedestrian legform impactor, aPLI），被认为更符合人体下肢的生物力学特性。中国新车评价规程（China-New Car Assessment Program，C-NCAP）2021版引入了新一代先进腿型[9]，将于2022年进行行人保护腿型测评。

尽管目前国内已经开始经历过上述3代腿型，但对于腿型的生物逼真度并未有深入探讨。在aPLI腿型开发时均是基于车辆前部简化模型与人体进行研究对比，简化模型与实际车辆前端结构存在一定差异性，aPLI腿型是否能够替代Flex-PLI和TRL腿型也未见报导。

本文针对这些问题，结合当前的测评规程中腿型冲击器测评方法，在轿车和运动型多功能车(sports utility vehicle, SUV)车型上与人体模型进行对比研究，为行人下肢的腿型测评方法提供参考。

1 现行腿型冲击器测评方法

ECE R127法规根据保险杠下部参考线的离地高度选用Flex-PLI腿型或TRL腿型水平冲击保险杠，保险杠下部参考线的离地高度小于425 mm选择Flex-PLI，高度大于500 mm选择TRL腿型，离地高度在425 mm到500 mm之间可选择Flex-PLI或TRL腿型。Flex-PLI底端距离地面75 mm，以40 km/h的速度水平冲击车辆前部，其小腿设置4个弯矩传感器测量胫骨弯矩（Tibia-1,2,3,4）取最大值评价，膝关节设置3个韧带传感器：内侧副韧带(medial collateral ligament，MCL)，前交叉韧带 (anterior cruciate ligament，ACL)和 后 交 叉 韧 带 (posterior cruciate ligament，PCL)。TRL腿型的冲击位置为保险杠上部和下部基准线的中间位置，水平冲击保险杠。TRL腿型在中部设置3个弯矩传感器测量股骨弯矩（Femur-1,2,3）取最大值评价，两端设置力传感器取合力进行评价。欧洲新车测评规程（Euro NCAP）和中国保险汽车安全指数(China Insurance Automotive Safety Index，C-IASI）在Flex-PLI的基础上增加了TRL腿型冲击包络线（wrap around distance，WAD）775 mm的位置，碰撞方向与WAD 930和保险杠内部基准线（internal bumper reference line，IBRL）的连线垂直，碰撞速度根据碰撞角度计算。

C-NCAP 2021版采用aPLI腿型进行测试，aPLI腿型离地高度为25 mm，以40 km/h的速度水平撞击车辆前部。其小腿设置4个弯矩传感器取最大值评价，大腿设置3个弯矩传感器取最大值进行评价，膝关节取MCL进行评价。各腿型冲击器的传感器设置如图2所示。

图2 腿型冲击器传感器设置

各评价规程所用腿型冲击器的评价限值如表1-3所示。

表1 TRL腿型冲击WAD775的评价限值

表3 TRL水平冲击和柔性腿腿型的评价限值

2 现行腿型冲击器生物逼真度研究

2.1 生物逼真度评价方法

腿型生物逼真度的评价，需比较相同碰撞条件下腿型动力学响应与真实人体动力学响应的差异。由于伦理等问题，真实人体实验难于开展，故本文采用人体模型碰撞仿真来代替人体实验。人体有限元模型采用丰田开发THUMS 4.0版本50百分位行人模型，该模型包含完整的人体下肢解剖学结构,模型各部位与尸体试验进行对标验证，具有较高生物逼真度[10-12]。生物逼真度对比的输入条件为：车辆以40 km/h的速度撞击THUMS右腿或腿型冲击器以同样速度撞击车辆前端，碰撞位置相同。本文所选车型的保险杠下部参考线的离地高度均小于425 mm，故不考虑TRL腿型水平冲击保险杠的工况。

各腿型冲击器按图1中测评规程规定的位置以40 km/h的速度撞击车辆中心线位置，按表2的规定输出各冲击器的损伤参数。本文所用Flex-PLI有限元模型为首美公司开发的1.0.2版本商业化模型，aPLI有限元模型为ATD公司开发的2.0.6版商业化模型，模型均经过了对标验证。

图1 各测评规程中所用腿型冲击器示意

表2 aPLI腿型冲击器的评价限值

车辆以40 km/h的速度撞击人体右腿，右腿垂直站立在地面上，鞋底厚度为25 mm。为了减小在碰撞过程中两腿接触的影响，左腿向前抬起与右腿呈20°夹角，如图3所示。这种步态被认为是与车辆初次碰撞一侧下肢最严格的负荷条件，日本、欧洲和联合国使用的行人下肢保护法规中也假设了同样的负荷条件[6,8,11]。

图3 人体站姿调整

根据图2中aPLI腿型弯矩传感器到膝关节中心的位置在THUMS模型上的下肢建立相应的传感器，如图4所示。THUMS中MCL以体单元建模，在体单元上附加一圈弹簧单元测量MCL的拉伸量[10]。由于冲击器模型中未设定失效参数，为了进行对比在仿真中关闭所有失效设置。

图4 THUMS模型中下肢传感器设置

2.2 动力学响应分析

图5 为THUMS、aPLI和Flex-PLI模型在轿车和SUV车型上动力学响应情况。轿车车型中，在碰撞初始时刻车辆前保险杠首先与膝关节和小腿接触，随后大腿中部接触到发罩前缘，人体发生绕转骨盆接触到发罩上部。在整个碰撞过程中，人体小腿始终与保险杠下部接触。在20 ms后，脚底离开地面，脚掌绕踝关节发生旋转。在0～20 ms内，两种腿型冲击器的姿态基本与人体相近。在30 ms后两种腿型下部发生反弹，腿型姿态与人体模型差异较大。

图5 3种模型、2种车型的碰撞过程

SUV车型中，在碰撞初始时刻车辆前保险杠首先下肢接触，随后骨盆接触到发罩前缘。在整个碰撞过程中，人体小腿始终与保险杠下部接触。在20 ms后，脚底离开地面，脚掌绕踝关节发生旋转。在0～30 ms内，aPLI腿型的姿态与人体一致。在30 ms后aPLI腿型下部发生反弹，而人体小腿未发生反弹，腿型姿态与人体模型产生差异。而Flex-PLI由于缺乏上部质量，导致大腿过早反弹，与人体产生明显差异。

综上所述，在动力学响应方面，aPLI模型与人体更为接近，但仍需进一步解决小腿反弹的问题。

2.3 损伤响应分析

输出各冲击器传感器与人体模型下肢对应各部位的损伤值进行对比，同时比较发罩前缘处的变形情况。

2.3.1 胫骨弯矩

图6 为冲击器和THUMS模型在轿车和SUV车型上小腿的4个弯矩Mt对比。在2种车型上aPLI腿型的小腿弯矩均大于人体模型，在轿车车型胫骨最大弯矩与THUMS模型差异为49%，在SUV车型上差异为23%，胫骨弯矩在轿车上的差异性更大。

图6 小腿弯矩对比

胫骨弯矩产生差异的主要原因有2个方面：第一是由于腿型冲击器和THUMS模型的膝关节中心高度存在差异，THUMS模型的膝关节高度更低；第二是腿型冲击器和THUMS模型在膝关节处的刚度存在差异。图7为25 ms时，在 轿车中THUMS、aPLI和Flex-PLI的变形情况对比。从图中可以看到THUMS模型中金属吸能件变形较小。THUMS模型在膝关节处的刚度相对于冲击器偏小，导致膝关节的弯曲角度和剪切位移偏大，小腿上部弯矩偏小。

图7 轿车25 ms时变形对比

2.3.2 股骨弯矩

图8 为冲击器和THUMS模型在轿车和SUV车型上大腿的3个弯矩Mf对比。在2个车型上，Flex-PLI的大腿弯矩均比人体模型的小，并且最大差异达到200 Nm，其主要原因是上体质量的影响。TRL腿型最大股骨弯矩在轿车车型上与THUMS模型差异为8.6%，在SUV上差异为22%，在SUV车型上差异更大。差异性产生的原因主要是TRL腿型没有小腿和上体质量，而在轿车上发动机罩在大腿上的支撑点位置更靠下，小腿质量产生的惯性力矩相对要小。而在SUV上发动罩的支撑点位置更靠上，导致小腿质量产生的惯性力矩更大，所以相对来说TRL腿型的大腿弯矩在SUV车型上与THUMS的股骨弯矩的差异性偏大。

图8 大腿弯矩对比

aPLI腿型大腿弯矩的最大值在轿车和SUV上与THUMS差异分别2.4%和5.2%，相比于TRL腿型与THUMS模型更为一致，因此在大腿弯矩的评估中用aPLI腿型的生物逼真度最好。

2.3.3 膝关节

图9 为2种腿型冲击器和THUMS模型MCL拉伸量的对比。MCL与膝关节弯曲角度密切相关，可近似用膝关节弯曲角度进行评估[13-14]，如图10定义腿型在车辆纵向垂直平面内顺时针旋转为正、逆时针旋转为负，大、小腿旋转角度差值即为膝关节的弯曲角度θ。

图10 腿型旋转角度定义

图11 为在轿车和SUV车型上，冲击器和THUMS模型小腿和大腿部位旋转角度的对比。

结合图9和图11可知，在该轿车车型上，25 ms前aPLI和Flex-PLI差异性不大，25 ms后由于Flex-PLI大腿反弹导致MCL迅速减小，而两种冲击器的小腿部分均反弹较早导致MCL与THUMS模型偏小。在SUV车型上，Flex-PLI由于缺乏脚踝部分导致小腿的旋转角度较小，并且缺乏上部质量导致大腿部分反弹过早，所以Flex-PLI的MCL较小。aPLI在30 ms之前与人体的MCL基本相同，在30 ms之后由于大腿发生反弹，导致MCL迅速降低。

图9 MCL对比

图11 旋转角度对比

总体来看，aPLI腿型的MCL响应更接近与THUMS模型，生物逼真度更高。

2.3.4 骨盆

根据Snedeker等人[11]的研究结果，发罩前缘是造成人体骨盆骨折的主要原因。在TRL腿型中的评价指标中，弯矩跟股骨骨折密切相关，合力跟骨盆骨折密切相关[12]。图12为各腿型在发动机罩前缘处最大变形量对比，在轿车车型中4种腿型的最大变形基本都达到锁销位置，而在SUV车型上aPLI腿型的最大变形达到了锁销位置，与THUMS模型差异性较大。

图12 前缘最大侵入量对比

图13 为TRL腿型合力对比，其中在SUV车型的合力为6.2 kN，超过了TRL腿型评价区间（5～6 kN），预测骨盆有很大的损伤风险。

图13 TRL腿型合力对比

如图14所示：在碰撞过程中，THUMS模型中髋臼处的塑性应变ε达到10%，超过THUMS模型骨盆骨折预测应变1%[13]，即髋骨存在很大骨折风险。THUMS骨盆损伤的主要原因为SUV发罩前缘直接撞击股骨上段，股骨头接触髋臼窝，造成髋骨骨折（见图15）。由此可知：在SUV车型上，aPLI腿型对发动机罩前缘对人体骨盆造成的损伤评估不全面。

图14 SUV车型中髋骨塑性应变

图15 SUV车型撞击到骨盆位置

3 结 论

通过对比腿型冲击器和THUMS模型在轿车和SUV上动力学响应和损伤响应可知，aPLI腿型的动力学响应与THUMS模型更为一致，Flex-PLI由于缺乏下部脚踝结构以及上部质量块导致小腿和大腿过早地出现反弹。

在损伤响应方面，aPLI和Flex-PLI腿型的胫骨弯矩和MCL均与THUMS模型存在差异，主要原因是膝关节的高度差以及刚度的差异造成的，但是aPLI腿型与THUMS更为接近生物逼真度更好。aPLI腿型的大腿弯矩相比于TRL腿型与THUMS更为一致。通过仿真发现aPLI腿型对SUV发动机罩前缘对骨盆处产生的损伤评估不全面，所以在aPLI腿型测试时，保留TRL上腿型的骨盆评价对行人的损伤评估更为全面。